通过直接能量沉积法制备的CuNi改性AlSi10Mg合金具有优异的高温屈服强度

《Materials Science and Engineering: A》：Outstanding high-temperature yield strength of CuNi modified AlSi10Mg alloy fabricated by direct energy deposition

AlSi10Mg合金通过Cu-Ni改性后，采用直接能量沉积（DED）工艺制备，通过T6热处理形成微米级CuNi相与纳米θ'析出相的双阶段强化结构，显著提升室温（307 MPa）和300℃高温（198 MPa）屈服强度，分别提高168.7%和217.6%。研究揭示了CuNi相框架抑制基体变形，纳米θ'相阻碍位错运动的高温强化机制，以及混合脆-韧断裂模式随温度变化特征。

　　本研究聚焦于一种新型铝合金——Cu-Ni改性的AlSi10Mg合金，探讨其在高温环境下的性能提升与微观结构演变。AlSi10Mg作为一种广泛应用于航空航天、汽车制造等领域的材料，因其优异的耐腐蚀性和高比强度而备受关注。然而，在300摄氏度的高温环境下，其屈服强度仍然较低，难以满足某些高要求应用场景的需要。因此，研究者通过直接能量沉积（DED）技术制备了该合金，并在后续的热处理过程中引入了具有热稳定性的CuNi富集相和θ'纳米析出相，以提高其高温性能。实验结果显示，经过改性的合金在25摄氏度和300摄氏度下的屈服强度分别达到了307 MPa和198 MPa，相比未改性的AlSi10Mg合金分别提高了168.7%和217.6%。这一显著的性能提升表明，Cu和Ni的添加对于增强铝合金的高温性能具有重要意义。

在材料科学领域，屈服强度是衡量材料强度的重要指标，它决定了材料在实际应用中的承载极限。一旦材料的屈服强度被突破，就会导致不可逆的塑性变形，从而影响其使用寿命和结构完整性。因此，提高材料的屈服强度对于满足更加严苛的使用条件至关重要。在传统铝合金中，尤其是在高温环境下，由于合金中部分析出相的热稳定性不足，容易发生粗化甚至溶解，从而显著降低其强度。例如，θ'纳米析出相虽然在室温下能有效增强材料的强度，但在300摄氏度时却容易发生粗化，导致其作用减弱，屈服强度下降。相比之下，CuNi富集相表现出更高的热稳定性，能够有效抑制高温下的材料变形，从而提升其高温屈服强度。

研究团队通过DED技术制备了两种合金：一种是原始的AlSi10Mg合金（UA），另一种是Cu-Ni改性的AlSi10Mg合金（MA）。在制备过程中，通过高能球磨技术将AlSi10Mg粉末与纯Cu和纯Ni混合，并在惰性气体氩气氛围中完成粉末混合操作，以防止氧化。随后，通过优化的DED工艺参数和扫描策略，制备了高质量的合金样品。这些样品在后续的热处理过程中经历了固溶处理和时效处理，以进一步提升其性能。热处理过程中，大量均匀分布的θ'纳米析出相形成，显著增强了合金的强度。同时，CuNi富集相在高温环境下依然保持稳定，有效抑制了材料的变形。

从微观结构的角度来看，两种合金在热处理前后的变化尤为显著。原始合金在热处理后，其晶粒结构表现出一定程度的细化，但晶粒仍然较大。相比之下，改性合金由于CuNi富集相的引入，晶粒显著细化，并且在热处理过程中，晶界迁移被有效抑制，晶粒生长受到限制。这表明，CuNi富集相不仅对材料的高温性能有显著影响，还对晶粒的细化和稳定性具有重要作用。此外，改性合金的晶界结构与原始合金相比也更加均匀，显示出更多的低角度晶界（LAGBs），而高角度晶界（HAGBs）的数量则相对减少。这种晶界结构的变化可能与CuNi富集相的分布和析出相的形成有关。

在机械性能方面，改性合金在室温下的屈服强度和抗拉强度均显著优于原始合金。通过热处理，改性合金的屈服强度从140 MPa提升至307 MPa，而抗拉强度也从245 MPa提升至354 MPa。这一提升主要得益于θ'纳米析出相的形成，它们在材料中均匀分布，有效增强了材料的强度。同时，CuNi富集相在高温环境下依然保持稳定，能够有效抑制材料的变形，从而提升其高温性能。在室温下的断裂形态显示，改性合金表现出混合的脆性-韧性断裂模式，这与θ'析出相的形成和分布密切相关。而在高温下的断裂形态则更加明显地表现出韧性特征，脆性断裂现象相对减少，这可能是因为CuNi富集相在高温下的作用更加显著。

研究还探讨了不同析出相在热处理过程中的演变规律。通过电子背散射衍射（EBSD）和高分辨透射电镜（HR-TEM）等技术手段，研究团队观察到在热处理过程中，原始合金中的析出相发生了显著的变化。原始合金在热处理后，其β'析出相的分布更加明显，而θ'析出相则在热处理过程中形成并逐渐稳定。相比之下，改性合金在热处理后，其θ'析出相的数量显著增加，且尺寸更加细小，这有助于增强材料的强度。此外，一些小于5纳米的簇状结构也被观察到，这些结构被认为是θ'析出相的前驱相，可能在后续的热处理过程中进一步演化为稳定的析出相。

从断裂机制的角度来看，两种合金在室温和高温下的表现存在明显差异。在室温下，改性合金的断裂形态主要由脆性-韧性断裂模式组成，其中脆性断裂主要发生在析出相和晶界区域，而韧性断裂则发生在铝基体内部。这种断裂模式的混合性可能与析出相的分布和晶界结构的变化有关。而在高温下，断裂形态则更加倾向于韧性断裂，脆性断裂现象减少。这可能是因为在高温环境下，CuNi富集相的引入有效抑制了材料的变形，使得材料在高温下的承载能力增强。此外，高温下的断裂形态显示出更多的晶界脱粘现象，这可能是由于高温导致铝基体软化，而析出相和CuNi富集相则在材料中形成稳定的结构，从而延缓了材料的失效。

综上所述，Cu-Ni改性的AlSi10Mg合金在高温环境下的性能提升主要归因于两种强化机制的协同作用：一是CuNi富集相在高温下的热稳定性，有效抑制了材料的变形；二是θ'纳米析出相的形成，显著增强了材料的强度。通过DED技术制备的合金在热处理过程中表现出优异的微观结构演变，包括晶粒细化、析出相均匀分布以及晶界结构的优化。这些变化不仅提升了材料的室温性能，还显著增强了其高温性能，使其能够在300摄氏度下保持较高的屈服强度。此外，研究还发现，改性合金的断裂机制在高温环境下发生了显著变化，脆性断裂现象减少，韧性断裂成为主要的断裂模式，这可能与析出相和CuNi富集相的分布以及铝基体的软化有关。

本研究的成果不仅为开发具有优异高温性能的铝合金提供了重要的参考，也为相关工业应用提供了理论支持。通过引入Cu和Ni元素，研究团队成功构建了具有两阶段强化结构的合金，使其在高温下的性能得到显著提升。此外，研究还揭示了不同析出相在热处理过程中的演变规律，为优化铝合金的性能提供了新的思路。这些发现对于推动铝合金在高温环境下的应用具有重要意义，尤其是在航空航天、汽车制造等对材料性能要求较高的领域。